JP2007046339A - 二酸化炭素ガスの地中浸透モニタリング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】地中の炭層に二酸化炭素を圧入して吸着させ、これに置換して放出された炭化水素系ガスを回収する際に、地中に圧入される二酸化炭素の挙動を長期的に連続して測定でき、しかも比較的簡単な装置を用いて、可及的に低コストで運用できる二酸化炭素ガスの地中浸透モニタリング方法とすることである。
【解決手段】地中の炭層（本層１、下層２）に通じる圧入井３と生産井４からなる複数の坑井を設け、これら複数の坑井のうち圧入井３から二酸化炭素ガスを圧入して、炭層の石炭に固定された二酸化炭素に置換された炭化水素系ガスを生産井４から回収する際に、圧入井３と生産井４の間における複数の地点（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ）に穿設した観測孔内の底部に高精度の傾斜計を設置し、これらの傾斜計によって所定位置の傾斜角度の経時的変化を調べることにより、地中の二酸化炭素ガスの浸透状況を監視することからなる二酸化炭素ガスの地中浸透モニタリング方法とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、地中の炭層に二酸化炭素を圧入して吸着させ、これに置換して放出された炭化水素系ガスを回収する際のモニタリング方法に関し、特に注入された二酸化炭素の地中での挙動を監視して効率よく炭化水素系ガスを回収するための二酸化炭素ガスの地中浸透モニタリング方法に関する。

一般に、石炭は、その微細な空隙構造によって気体の吸着作用があり、石炭からなる地中の炭層には、通常、メタンガスなどの炭化水素系ガスが多量に包蔵されている。

さらに石炭は、二酸化炭素に対しては、これをメタンの数倍量も吸着する性質があり、二酸化炭素と石炭中に含まれるメタンガス等とを置換すれば、地球環境の温暖化原因となる温室効果ガスの一つの二酸化炭素を炭素中に効率よく安定して固定化できると共に、クリーンエネルギーであるメタンガスを二酸化炭素に置換して回収し、これを有効に利用することができる。

炭層中のメタンガスを燃料ガスまたは原料ガスとして商業的に回収する技術は、既に知られている（例えば特許文献１）。

因みに、石炭層からメタンガスなどの炭化水素系ガスを回収するには、圧入した二酸化炭素ガスで石炭層に保持されている炭化水素系ガスを置換して回収するが、その方法は一般的には次のように行なわれる。

すなわち、地表面に開口した坑井から石炭層に二酸化炭素ガスを注入すると、このような石炭層には、例えばメタンの２倍から数倍程度の二酸化炭素が吸着するので、石炭の表面には二酸化炭素が選択的に吸着され、石炭に吸着されていたメタンガスなどの炭化水素系ガスが放出される。

このように二酸化炭素−メタンなどの置換機構を利用し、石炭層中に多量に含まれるメタンガス等を燃料ガスとして別の坑井から回収して利用できる。

このように利用できる石炭層は、石炭の採掘が困難な深部炭層や低質で経済性の低い炭層でもよく、また二酸化炭素は、近年では排出規制も強化されている温室効果ガスの一つであるから、これを安定して固定すると共に、これに置換された可燃性天然ガス資源を有効に利用できる点でも優れた資源のリサイクル技術であるといえる。

ところで、このように二酸化炭素ガスを地中に固定する際に、炭層で置き換わったメタンガスを含む可燃性ガスを回収する際、どのような種類と濃度の有益なガスが含まれているかを調べるために、ラマンプローブとラマン散乱光分析装置を地中に埋設した中空管の内部に配置し、ガスモニタリングする技術が知られている（特許文献２）。

また、一般的な地層や岩盤物性その他の地質構造を調べる手段として、地震探査、トモグラフィー（弾性波測定、比抵抗測定、電磁波測定）、物理検層（中性子測定、音波測定、密度測定）などが周知である。

特開２００４−３３２６号公報 特開２００４−３０９１４３号公報

しかし、上記した従来の地質構造の調査方法は、石油・石炭の鉱床を探査するために開発された方法であって、特定の時点で物理データを測定するには適当であるが、長期的にデータの変化を何度も調べる場合には適しておらず、毎回の測定には大掛かりな装置が必要で高額の測定コストが必要であった。

また、従来のガスモニタリング技術では、地中のガス成分を評価できるが、その結果得られる情報は、圧入された二酸化炭素ガスの地中の挙動と対応するものではなく、地中の二酸化炭素ガスの挙動を簡単に知ることはできなかった。

そこで、この発明の課題は、上記した問題点を解決して、地中に圧入される二酸化炭素の挙動を長期的に連続して測定でき、しかも比較的簡単な装置を用いて、可及的に低コストでモニタリングできる方法とすることである。

上記の課題を解決するために、この発明では、地中の炭層に通じる複数の坑井を設け、これら複数の坑井のうち少なくとも１つの坑井から二酸化炭素ガスを圧入して炭層に浸透させ、浸透した二酸化炭素ガスと置換された前記炭層中の炭化水素系ガスを他の坑井から生産する際、二酸化炭素ガスの圧入井と炭化水素系ガスの生産井の間における炭層上方の地中に間隔を開けて複数の傾斜計を設置し、これら傾斜計によって所定位置の傾斜角度の経時的変化を調べることにより、炭化水素系ガスの生産量に対応する地中の二酸化炭素ガスの浸透状況を監視することからなる二酸化炭素ガスの地中浸透モニタリング方法としたのである。

上記したように構成されるこの発明の二酸化炭素ガスの地中浸透状況監視方法によると、地下の炭層に二酸化炭素が浸透しながら固定されていくとき、拡散する二酸化炭素が炭層に亀裂を生じさせるので、その上方の地盤には沈降または隆起によって微小な傾きが発生する。

そのため、炭層上方の地中に間隔を開けて設けた複数個の傾斜計を用いて傾斜角度の経時的変化を調べることにより、二酸化炭素が炭層内を浸透していくであろう予想地点の炭層上方に設置されている傾斜計の傾斜角度が順に経時的変化を示し、その傾斜計が設置されている地下部分にまで二酸化炭素が確実に浸透したことが判別できる。

また、傾斜計の傾きの大きさは、二酸化炭素の浸透量に対し、ある程度の相関関係があると考えられ、現在、地中のどの地点まで二酸化炭素が浸透しているか、また浸透による拡散の速度や炭化水素系ガスの到達する範囲などの挙動がある程度推定できる。

特に、二酸化炭素の単位時間当りの圧入量または傾斜角度の計測時までの圧入量と圧入時間を記録しておき、さらに圧入井の位置と、傾斜計が設置されている位置がわかれば、二酸化炭素の浸透速度が計算によって推定でき、何時間後に生産井から地中ガスが生産できるかを推定することも可能である。

このような二酸化炭素ガスの地中浸透状況およびこれに伴う炭化水素系ガスの生産状況を監視するモニタリング方法では、亀裂による微小な傾斜をできるだけ正確に計測することが肝要であるので、傾斜計が、１０^-6〜１０^-9ラジアン単位で角度測定が可能な高精度傾斜計である二酸化炭素ガスの地中浸透モニタリング方法であることが好ましい。

また、炭層が隆起するか、または沈降した状況を正確に計測することが正確な状況監視をするために好ましいことであるため、傾斜計が、炭層上方において二酸化炭素などのガスを通しにくいキャップロック層より以浅の地中に設置されることが好ましい。

また、上記同様の理由によって、傾斜計が、深度１０〜６０ｍの地中に設置される前記の炭層圧入の二酸化炭素ガスモニタリング方法とすることが好ましい。

この発明の炭層圧入の二酸化炭素ガスモニタリング方法は、傾斜計が設置されている地下の炭層に二酸化炭素が拡散する際に亀裂が生じ、その上方の地盤に沈降または隆起による微小な傾きを発生させる現象を利用し、複数個の傾斜計を用いて地中での傾斜角度の経時的変化を調べるようにしたので、地中に圧入される二酸化炭素の挙動を長期的に連続して簡便に測定できるという利点がある。

しかも、この方法は、比較的浅い地中での傾斜角度の経時的変化を調べることができ、測定装置も比較的小型で簡単な装置を用いることができるので、低コストでモニタリングできるとう利点もある。

この発明の実施形態を以下に添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように、実施形態は、地中に存在する本層１と下層２からなる２つの炭層のうち下層２に通じる圧入井３および生産井４からなる２本の坑井を設け、これらの坑井のうち圧入井３から二酸化炭素ガスを圧入して下層２内の石炭などに固定させ、二酸化炭素と置換されて放出されるメタンガスを含む炭化水素系ガスを生産井４から回収する二酸化炭素の固定および炭化水素系ガスの生産システムにおいて適用される二酸化炭素ガスの地中浸透モニタリング方法である。

このような生産システムにおいて、二酸化炭素ガスの圧入井３と地中ガスの生産井４の間における本層１と下層２からなる炭層上方の地中には間隔を開けて６つの地点（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ）に穿設した観測孔内の底部に傾斜計を組み入れて設け、圧入井３には二酸化炭素ガスを圧入すると同時に、複数の傾斜計によって傾斜角度の経時的変化を精密に調べることにより、圧入された二酸化炭素ガスの地中の挙動、すなわち二酸化炭素ガスの地中浸透状況およびこれに伴う地中ガスの生産状況を監視するようにした二酸化炭素ガスの地中浸透モニタリング方法である。

なお、６つの地点（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ）に穿設した観測孔の深さは、地点（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）で１２ｍ、地点（Ｅ、Ｆ）では５０ｍに形成し、Ａ−Ｂ間は約２５ｍ、Ｂ−Ｃ間は約８０ｍ、Ｃ−Ｄ間も約８０ｍ離れており、地点Ｅ、Ｆは、地点Ｂ、Ｃとほぼ同じ場所で深度のみが異なるという配置条件である。

この発明に用いる二酸化炭素は、火力発電所や化石系燃料を消費した後の工場の排気ガスなどとして二酸化炭素を含有するものを分離回収したものを用いることができる。なお、高純度の二酸化炭素は、モノエタノールアミンなどのアミンに吸収させて回収するアミン法により比較的簡単に得ることができる。

このように得られた液化炭酸を用いる場合は、液化炭酸貯槽５から昇圧ポンプ６を介して圧送すると共に蒸発器７で加熱し、気化してから圧入井３に導入する。

二酸化炭素を圧入する条件は、炭層（下層２）に達する二酸化炭素注入管８に所定の圧力と温度の二酸化炭素を圧入する。圧入条件は、炭層（下層２）の深さなどによって異なるが、例えば深度５００ｍの場合に、注入圧力は１０ＭＰａで温度は４０℃程度でよいと考えられる。この場合、注入圧力は、圧入地点では注入圧及び温度と同程度で超臨界状態になるが、圧入点から数十メートル離れると５ＭＰａおよび３０℃程度に低下すると予想される。また、深度１０００ｍでは、注入圧力は、１５ＭＰａでよいと考えられる。同様に深度３０００ｍでは、注入圧力は３５ＭＰａでよいと考えられる。

このような二酸化炭素の圧入は、一箇所以上の複数の圧入井３から行ってもよい。そして、圧入の初期には比較的高い圧力で行なうことにより、炭層を破壊して多数の割れ目を積極的に形成するようにすることが好ましく、また必要に応じて砂などを混入させて割れ目の閉塞を防ぎ、長期間に亙って二酸化炭素を広い範囲に浸透させることもできる。

生産井４は、このような圧入井３から炭層に浸透した二酸化炭素が吸着されるのに充分な距離を離して設置することが好ましい。このような距離は、少なくとも数十メートル必要であると考えられる。なお、生産井４は、圧入井３から立体的な位置関係で蒸気の所定距離だけ離れていればよく、必ずしも平面的な方向に離す必要はない。

例えば、炭層の深部に二酸化炭素を圧入して同一領域の浅部からメタンガスを含む地中ガスを回収してもよく、深部から浅部まで傾斜して平面的に延びる炭層である場合には、深部で二酸化炭素を圧入して浅部から生産するようにしてもよい。
通常、生産井４から回収された水蒸気などを含む地中ガスは、定法に従って気液分離装置１０で液体を分離し、液体成分を排水タンク９ａ、９ｂに回収すると共に、分取したメタンガスなどの炭化水素系ガスを得て、必要に応じてさらにガスを精製して利用施設に配送する。

この発明に用いる傾斜計は、例えば１０^-6〜１０^-9ラジアン単位で角度測定が可能な高精度傾斜計であることが好ましいが、特にその機構を限定したものを採用する必要はない。

そのような高精度傾斜計としては、例えば、傾斜計内に電解質溶液とその内部に気泡を閉じ込めた容器を設けたものがあり、この構造のものでは気泡が重力場に応じて移動した際に気泡を含む電解質溶液場のＸ−Ｙ方向の電位場が変化するため、この直交する２方向の電位変化を測定することによってＸ−Ｙ平面内の傾斜を計測する機構のものを採用することができる。市販の傾斜計としては、米国ピナクル社製の高精度傾斜計を使用することもできる。

傾斜計の設置間隔と設置数は、特に限定されるものではなく、利用する地下の炭層の規模と炭層やその上方の地質学的な地層の性質、圧入井と生産井との距離に応じ、またその要求される監視精度に合わせて、３０ｍ程度から数キロメートル（例えば約１〜６ｋｍ）の幅で設置すればよい。

ほぼ図１に示した石炭層を有する地層構造において、地盤傾斜の実測試験を行なった。実際の実験地は、北海度の南大夕張炭坑地域であり、圧入井３と生産井４との距離は、１８０ｍ離し、また生産井４は圧入井３より炭層傾斜の上位の場所に設けた。

そして、圧入井３から、図１に示す二酸化炭素の圧入条件（注入圧（ＭＰａ）、注入量（ｔ））で圧入を２００４年１１月９日から２００４年１１月２９日まで連続して行ない、このとき得られた各傾斜計Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆのデータを図２〜図８に示した。

これらの図から明らかなように、二酸化炭素の圧入を始めたＡ、Ｂ、Ｃ地点の南北方向の傾斜は、１１月９日から２〜３日の間に約１〜２×１０^-6の変動が南北方向に見られ、そのあとＤ地点でも南北方向の傾斜が増大・減少し変動する傾向が見られた。その後１１月２０日前後から、生産井からメタンガスを主成分とする炭化水素系ガスの生産が始まり、その生産量が１００ｍ³/日以上１５０ｍ³/日まで増加する傾向が見られた。

このように圧入井３からの二酸化炭素ガスの圧入後、Ａ、Ｂ、Ｃ地点の南北方向の傾斜が増減した後、さらに１０日前後で生産井からメタンガス等の生産が起ることがわかる。

なお、Ｂ、Ｃ地点の傾斜角度の変化率は、圧入井に最も近いＡに対比して小さいが、二酸化炭素の圧入量を増やすことによって、二酸化炭素量と距離と傾きの関係は明瞭になると認められるから、測定地点の地質や深度に応じて二酸化炭素の圧入量と圧力を加減すればよい。このようにして得られたデータを用いてメタンガス等の計画的な生産を行なうことができるようになる。

また、キャップロック以深の地下５０ｍに傾斜計を設置した地点Ｅ、Ｆでは、地点Ｂ、Ｃと同時期に傾斜計に変動が見られなかった。

これにより、炭層上方のキャップロック層より以浅の地中に傾斜計を設置することによって、鋭敏に傾斜計に二酸化炭素ガス挙動の影響が現れ、より正確な計画生産のためのモニタリングが可能であることがわかる。

二酸化炭素ガスの地中浸透モニタリング方法の概略説明図 二酸化炭素の圧入条件・生産ガス量の経時変化との関係を示す図表 Ａ地点の東西方向と南北方向の傾斜の経時変化を示す図表 Ｂ地点の東西方向と南北方向の傾斜の経時変化を示す図表 Ｃ地点の東西方向と南北方向の傾斜の経時変化を示す図表 Ｄ地点の東西方向と南北方向の傾斜の経時変化を示す図表 Ｅ地点の東西方向と南北方向の傾斜の経時変化を示す図表 Ｆ地点の東西方向と南北方向の傾斜の経時変化を示す図表

符号の説明

１ 本層
２ 下層
３ 圧入井
４ 生産井
５ 液化炭酸貯槽
６ 昇圧ポンプ
７ 蒸発器
８ 二酸化炭素注入管
９ａ、９ｂ 排水タンク
１０ 気液分離装置

Claims (4)

1. 地中の炭層に通じる複数の坑井を設け、これら複数の坑井のうち少なくとも１つの坑井から二酸化炭素ガスを圧入して炭層に浸透させ、浸透した二酸化炭素ガスと置換された前記炭層中の炭化水素系ガスを他の坑井から生産する際、二酸化炭素ガスの圧入井と炭化水素系ガスの生産井の間における炭層上方の地中に間隔を開けて複数の傾斜計を設置し、これら傾斜計によって所定位置の傾斜角度の経時的変化を調べることにより、炭化水素系ガスの生産量に対応する地中の二酸化炭素ガスの浸透状況を監視することからなる二酸化炭素ガスの地中浸透モニタリング方法。
2. 傾斜計が、１０^-6〜１０^-9ラジアン単位で角度測定が可能な高精度傾斜計である請求項１に記載の二酸化炭素ガスの地中浸透モニタリング方法。
3. 傾斜計が、炭層上方のキャップロック層より以浅の地中に設置される請求項１または２に記載の二酸化炭素ガスの地中浸透モニタリング方法。
4. 傾斜計が、深度１０〜６０ｍの地中に設置される請求項１または２に記載の二酸化炭素ガスの地中浸透モニタリング方法。

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